添加剂对生物质（秸秆）燃料燃烧影响的试验研究

【摘要】：能源是经济社会赖以生存和发展的基础,石化燃料的利用和日益枯竭带来的环境问题是当今人类社会面临的两大难题,可再生能源的开发利用日益受到关注。生物质能作为一种重要的可再生的新型能源,其储量仅次于煤炭、石油和天然气,其开发利用对国家能源战略和环境保护具有重要意义。但是生物质秸秆灰分中碱金属元素含量比较高,造成其在燃烧过程中发生复杂的物化反应,生成低熔点的化合物或共晶体,导致结渣、腐蚀时常发生,严重影响燃烧设备正常安全运转,限制生物质秸秆规模化利用。许多学者通过不同的方法对缓解结渣进行了研究,研究表明在原料中加入合适的添加剂是一种可行的办法。因此,本文以稻秆、麦秆和玉米秸秆为原料,以秸秆灰分中Al、Ca、Fe、Mg、P、Si和S元素对应的氧化物或盐为添加剂,如Al_2O_3、CaO、Fe_2O_3、MgO、(NH_4)H_2PO_4、SiO_2、(NH_4)2SO_4。对添加剂的选取以及添加量的确定、缓解结渣的机理、影响烧结强度指数的顺序以及对成型燃料燃烧特性的影响进行了相关的研究。首先,寻找合适的添加剂以及合适的添加比例。按照试验设计的要求,将添加剂与原料均匀混合,在马弗炉中进行快速灰化,然后对其灰样形貌进行分析,并按照莫氏硬度法测试每个灰样的烧结强度指数SII值,结果表明:CaO和MgO是非常有效地添加剂,对应的灰样灰质细腻、松软,不但缓解结渣的效果比较显著,并且添加量较少,适合作为秸秆燃料的添加剂;(NH_4)H_2PO_4仅在n(K):n(P)=1:1时,对稻秆缓解结渣作用较明显,在其它添加比例下,反而加重了结渣程度,并且对其它两种秸秆缓解结渣的效果并不理想;Al_2O_3虽然能起到缓解结渣的作用,但缓解效果不理想。其次,从三个方面对添加剂缓解稻秆结渣的机理进行分析研究。第一,利用热力学平衡预测各个元素对秸秆灰分中K元素迁移规律的影响,来分析各种添加剂缓解秸秆燃烧结渣的机理,虽然热力学平衡预测各方面的限制,但平衡计算对秸秆燃烧成灰中碱金属元素的迁移倾向提供了一个有价值的指导;第二,根据烧结强度指数曲线图上的特殊点,对灰样进行SEM-EDX分析,对灰样的微观结构形貌和主要元素进行分析;第三,对代表性灰样进行XRD分析,检测成灰物相,研究缓解结渣的机理。然后,根据单因素试验做正交试验,运用极差法进行分析,得出各个单因素添加剂对烧结强度指数的影响顺序。对稻秆的影响顺序为:MgOFe_2O_3CaO(NH_4)2SO_4(NH_4)H_2PO_4SiO_2Al_2O_3,对玉米秆的影响顺序为:(NH_4)H_2PO_4MgOCaOAl_2O_3(NH_4)2SO_4Fe_2O_3。最后,研究添加剂对成型燃料燃烧特性的影响。将原料与添加剂按不同添加比例均匀混合后,压块成型,然后进行燃烧实验,测算燃烧速度在三个不同时间段的变化情况。结果表明:在秸秆成型燃料燃烧过程中,添加剂在第一阶段起抑制作用,第二阶段起促进作用,第三阶段无明显影响;并且合适的添加剂在一定的添加比例下,能使生物质成型燃料块再燃烧后结构蓬松、灰质酥松,没有烧结现象。 【关键词】：生物质 碱金属 结渣 添加剂 烧结强度指数 缓解结渣机理 燃烧特性
【学位授予单位】：河南科技学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK6
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 生物质资源开发利用概况12-14
• 1.2 生物质资源的特点14-15
• 1.2.1 生物质的优点14-15
• 1.2.2 生物质的缺点15
• 1.3 生物质直接燃烧方式15-17
• 1.4 添加剂在生物质秸秆燃料中的应用研究17-20
• 1.4.1 添加剂对生物质燃烧结渣特性影响的研究现状17-18
• 1.4.2 添加剂对生物质腐蚀特性影响的研究现状18-19
• 1.4.3 添加剂对生物质燃烧特性影响的研究现状19-20
• 1.5 生物质成型燃料锅炉的研究现状20-21
• 1.6 研究背景和内容21-24
• 1.6.1 本文研究背景21
• 1.6.2 本文研究的主要内容21-24
• 第二章 添加剂对生物质燃烧结渣特性的影响24-42
• 2.1 试验方案24-27
• 2.1.1 试验原料的选择24
• 2.1.2 添加剂的选择24-25
• 2.1.3 试验设备25
• 2.1.4 试验工况25-26
• 2.1.5 试验方法26-27
• 2.2 结果与分析27-40
• 2.2.1 灰样表面形态分析27-31
• 2.2.2 添加剂对三种秸秆烧结强度指数的影响31-40
• 2.3 本章小结40-42
• 第三章 添加剂缓解生物质秸秆燃烧结渣的机理分析42-68
• 3.1 灰分中各主要元素对碱金属形态分布的影响42-47
• 3.1.1 稻秆燃烧过程中碱金属K元素的形态分布42-43
• 3.1.2 Al元素对系统中碱金属K元素形态分布的影响43-44
• 3.1.3 Ca元素对系统中碱金属K元素形态分布的影响44
• 3.1.4 Fe元素对系统中碱金属K元素形态分布的影响44-45
• 3.1.5 Mg元素对系统中碱金属K元素形态分布的影响45
• 3.1.6 P元素对系统中碱金属K元素形态分布的影响45-46
• 3.1.7 Si元素对形同中碱金属K元素形态分布的影响46
• 3.1.8 S元素对系统中碱金属K元素形态分布的影响46-47
• 3.2 灰样的SEM-EDX分析47-55
• 3.2.1 稻秆灰样的SEM-EDX分析47-48
• 3.2.2 稻秆+Al_2O_3灰样的SEM-EDX分析48-49
• 3.2.3 稻秆+CaO灰样的SEM-EDX分析49-50
• 3.2.4 稻秆+Fe_2O_3灰样的SEM-EDX分析50-51
• 3.2.5 稻秆+MgO灰样的SEM-EDX分析51-52
• 3.2.6 稻秆+(NH_4)H_2PO_4灰样的SEM-EDX分析52-53
• 3.2.7 稻秆+SiO_2灰样的SEM-EDX分析53-54
• 3.2.8 稻秆+(NH_4)2SO_4灰样的SEM-EDX分析54-55
• 3.3 灰样的XRD分析55-65
• 3.3.1 不同灰化温度下稻秆灰样的物相分析55-56
• 3.3.2 稻秆+Al_2O_3成灰物相分析56-57
• 3.3.3 稻秆+CaO成灰物相分析57-59
• 3.3.4 稻秆+Fe_2O_3成灰物相分析59-60
• 3.3.5 稻秆+MgO成灰物相分析60-61
• 3.3.6 稻秆+(NH_4)H_2PO_4成灰物相分析61-62
• 3.3.7 稻秆+SiO_2成灰物相分析62-63
• 3.3.8 稻秆+(NH_4)2SO_4成灰物相分析63-65
• 3.4 本章小结65-68
• 第四章 多因素添加剂对秸秆结渣特性影响的研究68-80
• 4.1 正交试验68-74
• 4.1.1 稻秆多因素试验68-71
• 4.1.2 玉米秆多因素试验71-74
• 4.2 灰样分析74-77
• 4.2.1 灰样电镜分析75-76
• 4.2.2 灰样物相分析76-77
• 4.3 本章小结77-80
• 第五章 添加剂对秸秆成型燃料燃烧特性影响的研究80-90
• 5.1 试验方案设计81-82
• 5.1.1 原料与设备81
• 5.1.2 试验方法81
• 5.1.3 计算方法81-82
• 5.2 试验结果及分析82-89
• 5.2.1 稻秆成型颗粒燃料燃烧特性分析82-89
• 5.3 本章小结89-90
• 第六章 结论与展望90-94
• 6.1 本文研究工作总结90-93
• 6.2 下一步工作展望93-94
• 参考文献94-98
• 致谢98-100
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文100

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